Sistemi radar per la rivelazione della nebbia in ambiente aeroportuale

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1 Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Ingegneria Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Sistemi radar per la rivelazione della nebbia in ambiente aeroportuale Candidata: Relatore: Prof. Gaspare Galati Ilaria Dalmasso Correlatore: Ing. Gabriele Pavan Anno Accademico

2 Introduzione La nebbia costituisce uno dei maggiori pericoli per l Aviazione, in quanto comporta una riduzione di visibilità che potrebbe compromettere le fasi più critiche del volo, quali l avvicinamento, l atterraggio ed il decollo. Condizioni meteorologiche aeroportuali di forte nebbia possono pregiudicare lo svolgersi regolare delle operazioni di aviazione commerciale e non, e creare situazioni di elevata criticità in particolar modo per la sicurezza dei voli pianificati secondo le regole del volo a vista in cui i piloti devono mantenere il contatto visivo con il suolo. La nebbia può svilupparsi tanto rapidamente da portare la visibilità da buona a pressoché nulla in pochi minuti. Può verificarsi sia sull intera pista che su porzioni di essa degradando le percezioni del pilota durante la corsa successiva all atterraggio o durante quella di decollo. Il pilota inoltre, provenendo dall alto, troverà nebbia sempre più densa, con conseguente riduzione della visibilità lungo il sentiero di avvicinamento, confondendo sia la percezione della quota sia quella di distanza e compromettendo il successivo atterraggio. La riduzione di visibilità provocata da nebbia, riduce la ricettività aeroportuale, dilatando temporalmente la sequenza con cui gli aeromobili atterrano in un aeroporto. La meteorologia assume quindi un ruolo molto importante poiché ha lo scopo di fornire un efficiente servizio di informazione e di tempestivi avvisi di previsioni del tempo, in particolar modo finalizzati all informazione riguardante la visibilità. Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto di sicurezza e meteorologia in ambiente aeroportuale. Si è realizzato uno studio sulla possibilità di rivelare la nebbia tramite un up-grade di dispositivi radar esistenti di tipo SMR (Surface Movement Radar) operanti in banda X (8.8 GHz) ed in banda W (95 GHz). Lo studio nasce da una collaborazione con Selex-SI per l eventuale implementazione di un canale meteo aggiuntivo al sensore radar SMR che costituisce la componente principale del sistema A-SMGCS (Advanced Surface Movement Guidance and Control System, sistema avanzato di controllo e guida del traffico aeroportuale) installato in numerosi aeroporti. 4

3 Attraverso il canale meteo additivo sarà possibile rivelare i fenomeni meteorologici, tra cui la localizzazione di banchi di nebbia, con elevata risoluzione spaziale sul sedime aeroportuale facilitando così l assistenza alla movimentazione degli aeromobili e dei veicoli. Un ulteriore vantaggio sarà la possibilità di ottimizzare le risorse aeroportuali. La tesi è strutturata in sette Capitoli. Nel Capitolo 1 viene descritto il fenomeno della nebbia dal punto di vista fisico, con lo scopo di comprendere le condizioni ambientali che favoriscono la formazione della nebbia e le caratteristiche della stessa anche in riferimento all orografia del luogo. Nel Capitolo 2 sono riportati brevi richiami di teoria dello scattering elettromagnetico da idrometeore. Il Capitolo 3 affronta il problema della modellistica matematica del fenomeno nebbioso, caratterizzando la nebbia dal punto di vista delle sue proprietà riflettenti in relazione alla distribuzione per unità di volume delle particelle che la compongono (DSD, Drop Size Distribution). Dalla letteratura sono stati presi in considerazione quattro modelli di nebbia: avventiva (forte e debole) e radiativa (forte e debole), definiti mediante particolari espressioni della DSD (di tipo Gamma modificata) e ricavati i rispettivi valori di riflettività Z e di contenuto d acqua liquida (LWC, Liquid Water Content). Dal LWC mediante relazioni empiriche sono state ricavate le visibilità dei quattro tipi di nebbia e le attenuazioni specifiche. Nel Capitolo 4, per i quattro modelli di nebbia e per i due radar SMR funzionanti nelle bande X (8.8 GHz) e W (95 GHz), vengono esposti i risultati in termini di massima distanza a cui la nebbia e rivelabile con un rapporto segnale rumore di 10 db. Come confronto sono state valutate anche le portate di due radar di tipo meteorologico operanti nelle bande C (5.5 GHz) e X (9.3 GHz). Il Capitolo 5, al fine di fornire una situazione di funzionamento più realistica dei radar, affronta e quantifica l effetto dell attenuazione dovuta a nebbia e del clutter di terra sulla rivelazione della nebbia. 5

4 Nel Capitolo 6 sono riportate le definizioni ed i calcoli di RVR (Runway Visual Range, portata visuale di pista) e MOR (Meteorological Optical Range, visibilità meteorologica), per definire con più esattezza il concetto di visibilità in ambiente aeroportuale e legarlo ai modelli di nebbia ed alle misure radar. Infine, nel Capitolo 7 sono mostrate le conclusioni, con lo scopo di comprendere quale sia, tra i radar considerati, quello più idoneo al fine di avere una percezione dettagliata e completa dello sviluppo della nebbia sulla superficie aeroportuale. 6

5 Indice INTRODUZIONE IL FENOMENO FISICO DELLA NEBBIA LE IDROMETEORE La nebbia Le nubi CARATTERISTICHE DELLA NEBBIA NUCLEI DI CONDENSAZIONE NEBBIA DA IRRAGGIAMENTO NEBBIA D AVVEZIONE NEBBIA DA EVAPORAZIONE Fronte caldo Fronte freddo Fronte stazionario DESCRIZIONE RIASSUNTIVA E SCHEMATICA DELLE NEBBIE DA IRRAGGIAMENTO E DA AVVEZIONE LA NEBBIA E LE OPERAZIONI CON BASSA VISIBILITÀ CARATTERISTICHE DEGLI AEROSOL La Distribuzione delle particelle di aerosol Proprietà di scattering degli aerosol INTERAZIONE TRA AEROSOL E NEBBIA Effetto degli aerosol sulla nebbia Effetto della nebbia sugli aerosol ROMA E LA NEBBIA Il clima di Roma Tre microclimi diversi SCATTERING ELETTROMAGNETICO SEZIONI TRASVERSE EFFETTI DELLE IDROMETEORE COEFFICIENTI VOLUMETRICI DI BACKSCATTERING E DI ESTINZIONE

6 2.4. MATRICI DI BACKSCATTERING E FORWARDSCATTERING SCATTERING DI MIE E DI RAYLEIGH SCATTERING DELLA NEBBIA TRASMISSIONE DELLA LUCE ATTRAVERSO LA NEBBIA MODELLI DI NEBBIA E FOSCHIA LA DSD GAMMA MODIFICATA FATTORE DI RIFLETTIVITÀ Z DELLA NEBBIA E DELLA FOSCHIA Riflettività per la Nebbia Avvettiva Riflettività per la Nebbia Radiativa Riflettività per Foschia e Cumulo COEFFICIENTE DI BACKSCATTERING DELLA NEBBIA CALCOLATO NELLE BANDE X E W LWC: LIQUID WATER CONTENT DI NEBBIA E FOSCHIA LWC per Nebbia Avvettiva LWC per Nebbia Radiativa LWC per Foschia e Cumulo RELAZIONI NEL MILLIMETRICO Liquid Water Content Riflettività Liquid Water Content Visibilità ATTENUAZIONE DOVUTA A NEBBIA RIVELAZIONE DELLA NEBBIA EQUAZIONE RADAR PORTATA RADAR PER SMR IN BANDA X DI FIUMICINO PORTATA RADAR METEOR 200 IN BANDA X PORTATA RADAR METEOR 1500C IN BANDA C VALUTAZIONI IN BANDA W Uso delle onde millimetriche per radar di superficie Portata Miniradar in banda W (95 GHz) CONFRONTO TRA I RADAR IN BANDA X, C E W ESEMPIO DI RIVELAZIONE DELLA NEBBIA IN BANDA KA Ground Based Remote Sensing

7 Evoluzione della nebbia avvettiva osservata con radar in banda Ka VALUTAZIONE DEI DISTURBI EQUAZIONE RADAR COMPRENSIVA DI ATTENUAZIONE DOVUTA A NEBBIA CLUTTER DI TERRA Rapporto Segnale/Clutter per il radar Meteor 1500C Rapporto Segnale/Clutter per il Miniradar in banda W VISIBILITÀ E NEBBIA IN AMBIENTE AEROPORTUALE DEFINIZIONI RVR, RUNWAY VISUAL RANGE Legge di Allard Legge di Koschmieder CALCOLO DI RVR E MOR TRASMISSOMETRO PREVISIONE DELLA NEBBIA CONCLUSIONI GLOSSARIO RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI